錢(qián)盛杰，黃煥東，柴斌斌，王 杜

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048)

承壓設(shè)備插入式管座角焊縫通常具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和坡口型式，接管與殼體厚度相差較大，在生產(chǎn)制造過(guò)程中，較易產(chǎn)生氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。另外，在承壓設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，管座角焊縫受力復(fù)雜，容易造成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。國(guó)外對(duì)此類(lèi)角焊縫的質(zhì)量控制主要是進(jìn)行比較嚴(yán)格的焊接過(guò)程控制，包括焊前坡口尺寸檢查、焊接工藝的控制、焊工技能的控制等，以及焊后角焊縫表面的檢測(cè)等。國(guó)內(nèi)制造單位比較偏重于對(duì)焊接結(jié)果的控制，對(duì)焊接過(guò)程的控制不是很?chē)?yán)格，因此承壓設(shè)備插入式管座角焊縫的焊接質(zhì)量往往較差[1]。對(duì)承壓設(shè)備插入式管座角焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是保證焊接質(zhì)量的主要措施，對(duì)設(shè)備的使用安全有著重要的意義。

目前，常采用磁粉或滲透技術(shù)對(duì)插入式管座角焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)。射線檢測(cè)的可靠性受角焊縫結(jié)構(gòu)的影響大，并且伴有輻射危害，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中該方法難以實(shí)施。常規(guī)超聲檢測(cè)是一種檢測(cè)插入式管座角焊縫埋藏缺陷的主要方法，但該方法的檢測(cè)可靠性受壁厚和曲率的影響較大，檢測(cè)時(shí)往往需要多種不同K值的探頭在不同檢測(cè)面上進(jìn)行掃查，才能實(shí)現(xiàn)聲束對(duì)角焊縫的全覆蓋，對(duì)操作人員的要求也較高[2]。近年來(lái)，隨著相控陣技術(shù)的興起，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者利用相控陣斜探頭分別在殼體和管子上進(jìn)行扇掃檢測(cè)，從而得到可記錄的掃查圖像，提高了檢測(cè)效率。但是，該方法對(duì)于平行于接管缺陷的檢測(cè)靈敏度很低，如沿著接管側(cè)壁的未熔合、裂紋等缺陷[3]。

針對(duì)這一檢測(cè)現(xiàn)狀，筆者提出了一種插入式管座角焊縫的超聲相控陣檢測(cè)方法，即：剛性相控陣在管座上的扇形掃查結(jié)合柔性相控陣在管子內(nèi)壁進(jìn)行線性掃查的方法。利用CIVA軟件仿真比對(duì)了這兩種相控陣方法對(duì)不同缺陷的檢出能力；自行研制了插入式管座角焊縫人工缺陷試樣，利用該方法進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，成功地檢測(cè)出裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。

1 插入式管座角焊縫超聲聲束全覆蓋檢測(cè)

1.1 常規(guī)超聲檢測(cè)面的選擇

在進(jìn)行插入式管座角焊縫超聲檢測(cè)前，首先應(yīng)該制定檢測(cè)工藝，而在制定檢測(cè)工藝過(guò)程中，檢測(cè)面的選擇對(duì)于缺陷的檢出率具有重要的影響。針對(duì)縱向缺陷和橫向缺陷，分別介紹了常見(jiàn)的6個(gè)位置的掃查面(見(jiàn)圖1)。從耦合特性、檢測(cè)靈敏度、聲束入射角度、缺陷特性等多個(gè)角度分析了從這6個(gè)掃查面進(jìn)行檢測(cè)的效果。

圖1 插入式管座角焊縫檢測(cè)面示意

位置1：沿著位置1處進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于平行于接管壁的縱向缺陷具有較高靈敏度，如接管側(cè)壁未熔合、根部未焊透、裂紋等縱向缺陷。探頭伸入到接管內(nèi)壁檢測(cè)時(shí)，對(duì)于探頭的楔塊要求較高，往往需要訂制與內(nèi)壁貼合良好的楔塊，而接管內(nèi)壁呈凹面，需要呈凸面且相同曲率的楔塊與之匹配。盡管如此，超聲波束在凹面中呈周向發(fā)散狀，且管子管徑越小，聲場(chǎng)發(fā)散越明顯，聲束能量發(fā)散嚴(yán)重，檢測(cè)靈敏度低。若接管管壁較薄，角焊縫可能處于近場(chǎng)內(nèi)，因此需要雙晶探頭，但雙晶探頭對(duì)曲率較大接管的耦合效果較差。

位置2：一般采用一次波檢測(cè)焊縫的下半部分，二次波檢測(cè)焊縫的上半部分。此外，馬鞍狀焊縫形式對(duì)缺陷的定位以及缺陷指示長(zhǎng)度的測(cè)量有一定影響，要進(jìn)行修正計(jì)算處理，修正計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。斜探頭K值可根據(jù)工件的厚度進(jìn)行選擇：當(dāng)板厚≤20 mm時(shí)可選擇K1和K2.5探頭聯(lián)合探測(cè)；當(dāng)板厚>20 mm時(shí)，可選擇K1和K2聯(lián)合探測(cè)。在位置2處檢測(cè)時(shí)，對(duì)于坡口型的缺陷(如坡口未熔合)具有較高的靈敏度。馬鞍狀焊縫的坡口形狀隨著焊縫的走向而不斷改變，探頭聲束方向與焊縫走向的夾角不再是90°，需要將探頭偏轉(zhuǎn)一定角度(一般為10°～15°)，以使聲束與焊縫走向?yàn)?0°，從而提高缺陷的檢出率。但此時(shí)超聲波在工件中的傳播路徑變得更復(fù)雜，缺陷的定位也變得異常困難。

位置3：采用斜探頭一次波在接管內(nèi)壁檢測(cè)。在承壓設(shè)備中，由于接管壁厚較薄，一般采用大K值(K=2.5,K=3)的探頭，以提高定位、定量的精度。該位置對(duì)沿坡口型缺陷具有很高的靈敏度。但在位置3處檢測(cè)易受管子內(nèi)徑的影響，當(dāng)內(nèi)徑較小時(shí)，存在耦合差、聲場(chǎng)發(fā)散等問(wèn)題。故標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》中規(guī)定，接管公稱直徑≥250 mm，且接管內(nèi)徑≥200 mm的插入式角接接頭才允許在位置3處進(jìn)行檢測(cè)。

位置4：該方法是將探頭置于設(shè)備內(nèi)壁，需要檢測(cè)人員在設(shè)備停機(jī)后從設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)可采用一次波檢測(cè)焊縫的上半部分，二次波檢測(cè)焊縫的下半部分。該位置的掃查對(duì)坡口型缺陷有很高的靈敏度。同位置2一樣，馬鞍狀焊縫會(huì)對(duì)缺陷定位以及測(cè)長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響，要進(jìn)行修正計(jì)算，修正計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

位置5：探頭置于接管外側(cè)，采用二次波檢測(cè)，該位置可進(jìn)行在役檢測(cè)且操作便捷，對(duì)坡口處缺陷的檢出率較高。當(dāng)接管直徑較小時(shí)，管子內(nèi)外管對(duì)聲場(chǎng)的散射較為嚴(yán)重，檢測(cè)靈敏度降低。另外，馬鞍狀角焊縫的方向和角度都在不斷變化，增加了檢測(cè)的復(fù)雜性，需要憑借檢測(cè)人員的豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行判定。

位置6：將斜探頭置于管座上，傾斜一定角度。使聲束與接管圓角成切線方向，這種方式可以檢測(cè)出焊縫中的橫向缺陷。探頭有4種放置方式，即：管座外表面，聲束方向沿接管順時(shí)針?lè)较?；管座外表面，聲束方向沿接管逆時(shí)針?lè)较?；管座?nèi)表面，聲束方向沿接管順時(shí)針?lè)较颍还茏鶅?nèi)表面，聲束方向沿接管逆時(shí)針?lè)较颉ｋm然橫向缺陷在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中并不多見(jiàn)，但卻是前5個(gè)檢測(cè)位置都難以檢測(cè)到的。因此，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015中規(guī)定，插入式接管檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為B級(jí)或C級(jí)的都應(yīng)做橫向缺陷檢測(cè)。

1.2 超聲相控陣檢測(cè)面的選擇

針對(duì)插入式管座角焊縫的常規(guī)超聲檢測(cè)，往往采用上述6個(gè)位置的組合檢測(cè)。例如：選擇位置2或位置4實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口未熔合的檢測(cè)；選擇位置1實(shí)現(xiàn)對(duì)接管側(cè)壁未熔合、側(cè)壁裂紋的檢測(cè)；當(dāng)不方便在管座上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，坡口處缺陷的檢測(cè)可以選擇位置3或位置5；選擇位置6實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向裂紋的檢測(cè)。特別需要注意的是，由于管子內(nèi)壁不同曲率的耦合以及聲束發(fā)散等問(wèn)題，給位置1的常規(guī)超聲檢測(cè)帶來(lái)很大的困難。針對(duì)此問(wèn)題，筆者在位置1處引入了柔性相控陣檢測(cè)技術(shù)。柔性相控陣采用柔性材料制作而成，可以很好地匹配不同曲率的管子內(nèi)壁，因此不需要定制不同曲率的楔塊，大大減少了楔塊研發(fā)成本。此外，由于相控陣具有聲束可控的功能，通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，陣列的設(shè)計(jì)有效地解決了凹面聲場(chǎng)發(fā)散的難點(diǎn)。

插入式管座角焊縫超聲檢測(cè)的理想工藝是：在保證缺陷檢出率的情況下，采用較少的探頭和檢測(cè)面，這樣才能在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境中提高超聲檢測(cè)的競(jìng)爭(zhēng)力。常規(guī)超聲檢測(cè)需要根據(jù)缺陷的位置以及朝向不斷更換不同類(lèi)型的探頭，以及不斷調(diào)整檢測(cè)面，以提高聲束的覆蓋率，不僅操作復(fù)雜，而且檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，缺陷定位難度大。而相控陣技術(shù)則不同，相控陣檢測(cè)圖像直觀，并能實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。缺陷的檢出率較高，往往采用單面單側(cè)掃查就能檢測(cè)出多種類(lèi)型的缺陷。筆者采用位置2和位置6處的剛性相控陣扇形掃查以及位置1處的柔性相控陣線性掃查兩種超聲相控陣檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)插入式管座角焊縫的聲束多角度全覆蓋掃查。

2 CIVA軟件仿真

在超聲相控陣檢測(cè)中，聲場(chǎng)特性直接關(guān)系到被檢區(qū)域的聲束可達(dá)性和能量覆蓋的有效性[5]。因此，超聲相控陣的聲場(chǎng)建模仿真是開(kāi)發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器和制定檢測(cè)工藝的基礎(chǔ)。為了得到相控陣方法對(duì)于插入式管座角焊縫常見(jiàn)缺陷的檢測(cè)情況，特別是坡口未熔合和管子側(cè)壁未熔合的檢出情況，筆者利用CIVA軟件仿真，分析了該方法對(duì)這兩種缺陷的檢出情況。首先，含兩種缺陷的插入式管座角焊縫模型如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：管子規(guī)格為168 mm×10 mm(外徑×壁厚)，管座壁厚為30 mm，上表面焊縫余高為10 mm，下表面焊縫余高為5 mm，坡口角度為40°。

圖2 含兩種缺陷的插入式管座角焊縫模型

剛性相控陣參數(shù)為：激發(fā)陣元個(gè)數(shù)為32個(gè)，陣元寬度為0.8 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10.0 mm，探頭中心頻率為5 MHz。

柔性相控陣參數(shù)為：激發(fā)陣元個(gè)數(shù)為12個(gè)，陣元寬度為0.8 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10.0 mm，探頭中心頻率為5 MHz。其中，缺陷f1為平行于管壁的側(cè)壁未熔合缺陷，缺陷尺寸為30 mm×6 mm(長(zhǎng)×高)，缺陷f2為沿著坡口擴(kuò)展的坡口未熔合缺陷，缺陷尺寸為30 mm×6 mm(長(zhǎng)×高)。接著，利用剛性相控陣在管座上進(jìn)行扇形掃查，檢出的缺陷圖譜如圖3所示。從圖3的扇掃和C掃圖像中均可以看出，剛性相控陣可以檢測(cè)出缺陷f2，且具有較高的靈敏度，但幾乎不能檢測(cè)到缺陷f1的回波信號(hào)。最后，利用柔性相控陣在接管內(nèi)壁進(jìn)行掃查，檢出的缺陷圖譜如圖4所示。從圖4的D掃查和C掃查圖像中均可以看出，柔性相控陣可以檢測(cè)出缺陷f1，且具有較高的靈敏度，但幾乎不能檢測(cè)到缺陷f2的回波信號(hào)。由此可見(jiàn)，這兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，將它們結(jié)合起來(lái)使用才能更好地提高缺陷的檢出率。

圖3 剛性相控陣掃查圖譜

圖4 柔性相控陣掃查圖譜

3 人工缺陷檢測(cè)過(guò)程

3.1 試塊設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證筆者提出的相控陣技術(shù)對(duì)插入式管座角焊縫缺陷的聲束覆蓋，以及缺陷檢出能力，設(shè)計(jì)了最佳檢測(cè)工藝，自行研制了273 mm×10 mm(外徑×壁厚)的插入式管座角焊縫人工缺陷試塊，人工缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，試塊實(shí)物如圖6所示，人工缺陷參數(shù)如表1所示。試塊的材料為20號(hào)鋼，接管外徑為273 mm，壁厚為10 mm，高度為210 mm。

表1 人工缺陷參數(shù)

圖5 人工缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

圖6 人工缺陷試塊實(shí)物

筒體采用平板，壁厚為24 mm，尺寸(邊長(zhǎng)×邊長(zhǎng))為700 mm×700 mm。該試塊可以模擬相控陣對(duì)管座角焊縫不同位置、不同角度、不同性質(zhì)缺陷的檢測(cè)。

3.2 剛性相控陣檢測(cè)結(jié)果

采用的剛性相控陣探頭參數(shù)為：頻率為5 MHz，陣元寬度為0.5 mm，間距為0.1 mm，長(zhǎng)度為10 mm，陣元個(gè)數(shù)為16，偏轉(zhuǎn)角度為35°～70°。在試塊管座上利用剛性相控陣扇形掃查檢出的缺陷圖譜如圖7所示。經(jīng)剛性相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)6處缺陷回波信號(hào)，剛性相控陣檢出的缺陷參數(shù)如表2所示。

圖7 剛性相控陣扇形掃查檢出的缺陷圖譜

表2 剛性相控陣檢出的缺陷參數(shù)

相控陣檢測(cè)圖像直觀，并能實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。采用單面單側(cè)掃查，掃查結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣中的6個(gè)人工缺陷，而對(duì)于4#側(cè)壁未熔合缺陷以及8#側(cè)壁裂紋缺陷，由于聲束角度的問(wèn)題，無(wú)法從垂直方向?qū)θ毕葸M(jìn)行覆蓋，所以這兩處缺陷無(wú)法檢出。另外，由于角焊縫結(jié)構(gòu)的影響，剛性相控陣在管座上進(jìn)行扇形掃查時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)回波信號(hào)，且波幅較大，應(yīng)注意與缺陷波的區(qū)分。

3.3 柔性相控陣檢測(cè)結(jié)果

采用的柔性相控陣探頭參數(shù)為：頻率為5 MHz，陣元寬度為0.8 mm，間距為0.1 mm，長(zhǎng)度為10 mm，陣元個(gè)數(shù)為64，偏轉(zhuǎn)角度為0°。經(jīng)柔性相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)7處缺陷回波信號(hào)，柔性相控陣在試塊接管內(nèi)壁檢出的缺陷圖譜如圖8所示，柔性相控陣檢出的缺陷參數(shù)如表3所示。

圖8 柔性相控陣在試塊接管內(nèi)壁檢出的缺陷圖譜

表3 柔性相控陣檢出的缺陷參數(shù)

利用柔性相控陣內(nèi)檢測(cè)方法有效地檢測(cè)出了剛性相控陣未檢測(cè)出的4#側(cè)壁未熔合缺陷以及8#側(cè)壁裂紋缺陷，且這兩個(gè)缺陷的朝向與主聲束垂直，其回波信號(hào)較高。因此，該方法對(duì)于檢測(cè)缺陷延伸方向平行于接管表面的缺陷具有很高的靈敏度。但是，該方法對(duì)沿著坡口缺陷的檢測(cè)靈敏度不高，如2#坡口未熔合缺陷在試驗(yàn)中未檢出。

綜上所述，該方法對(duì)于除了坡口未熔合缺陷之外的其他缺陷都具有較高的檢測(cè)靈敏度，且能實(shí)現(xiàn)缺陷在焊縫中的定位與定量檢測(cè)，為試樣和探頭的制作提供了參考。

4 結(jié)論

(1) 提出了一種插入式管座角焊縫檢測(cè)方法：剛性相控陣置于管座位置的扇形掃查結(jié)合柔性相控陣在接管內(nèi)壁的線性掃查，從而實(shí)現(xiàn)聲束在兩個(gè)不同方向?qū)呛缚p的全覆蓋檢測(cè)。

(2) 剛性相控陣置于管座位置的扇形掃查對(duì)于沿坡口擴(kuò)展的缺陷具有最佳的靈敏度，柔性相控陣對(duì)于檢測(cè)缺陷延伸方向平行于接管表面的缺陷具有很高的靈敏度。兩者結(jié)合起來(lái)檢測(cè)，可以提高插入式管座角焊縫的缺陷檢出率。

(3) 筆者利用常規(guī)超聲、剛性相控陣、柔性相控陣3種方法對(duì)該試樣的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。不同檢測(cè)方法對(duì)試樣的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果如表4所示，表4從檢出缺陷個(gè)數(shù)、使用探頭個(gè)數(shù)、檢測(cè)面?zhèn)€數(shù)以及優(yōu)缺點(diǎn)等多個(gè)方面對(duì)比了這3種方法的特點(diǎn)。

表4 不同檢測(cè)方法對(duì)試樣的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比